基于湍流自旋理论的二维方腔旋转流动的数值模拟

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本文在湍流自旋理论的基础上对旋转方腔内不可压流体的流动进行了二维数值模拟,并与经典理论即Navier-Stokes(N-S)方程的模拟情况做了比较。N-S方程表明方腔旋转时内部流体只会作刚体旋转,而自旋模型表明该类流动具有不平凡性和不稳定性。 本文推导了在旋转坐标系中观察流体流动的科氏加速度源项和微自旋源项,并得到旋转坐标系中观察的各种场量的控制方程;通过对控制方程做无量纲分析,得出了控制方程的通用形式和控制流动的无量纲参数;然后用有限容积法在交叉网格上对控制方程进行离散,采用基于SIMPLE算法的改进SIMPLEC算法进行计算;在对流项的离散方面采用了延迟修正的QUICK格式,最后采用二维的TDMA算法进行迭代求解,并对边界条件处理采用了Block块技术。 本文的数值模拟程序是以FAST-2D程序为蓝本,根据自旋理论的控制方程进行改编而成。我们计算了以下算例: 1、N-S方程的情况,不管转速、粘性如何,流动都收敛于刚体旋转。 2、粘性不变,雷诺数变化的情况。 3、转数不变,雷诺数变化的情况。 4、雷诺数不变,转数变化的情况。 对计算结果分析后,本文得出了下列结论:根据湍流自旋模型,流体的内聚力不足以使流体跟随固体边界作刚体运动,旋转边界必然在流体中诱导出小尺度耗散涡旋,这些小尺度涡旋在固壁附近组织出正负相间的拓扑缺陷(涡旋场强),这一流体定向奇性会与速度场耦合,并容易形成复杂的大尺度的涡旋运动。这一现象和过程是否与真实流动情况相符有待实验的验证。
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